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Transistores Unipolares - JFET e MOSFET, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

Apostila sobre Transistores Unipolares - JFET e MOSFET

Tipologia: Notas de estudo

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Baixe Transistores Unipolares - JFET e MOSFET e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! JFET / MOSFET Sete Lagoas/MG Fevereiro de 2009. Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 2 F U N D A M E N T O S D A E L E T R Ô N I C A ( E A 1 ) Transistores Unipolares FET / JFET / MOSFET Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 5 1 – FET (Field Effect Transistor) - Transistor de Efeito de Campo 1.1 – História Primeira referência: patente feita em 1930, por Julius Edgar Lilienfeld, um pesquisador ucraniano nascido em 1882 e que imigrou para os EUA n a década de 20 do século passado. Sua idéia era controlar a condutividade de um material, por um campo elétrico transversal; mas o sistema proposto por Lilenfeld não funcionaria na prática. O domínio de semicondutores e da física necessária para a construção dos FETs só aparece no início dos anos cinqüenta do século passado. O FET é um desenvolvimento tecnológico posterior ao transistor de junção; mas é o elemento dominante, por suas características, em sistemas lógicos modernos. 1.2 – Funcionamento do FET Por utilizar para transporte de corrente somente portadores majoritários, o FET é denominado unipolar. Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 6 Existem, grosso modo, duas classes de FETs: O FET de junção, chamado de JFET O FET de contato (MOSFET, MESFET, MISFET) 1.3 – Compreensão O FET é conhecido como transistor unipolar porque a condução de corrente acontece por apenas um tipo de portador (elétron ou lacuna), dependendo do tipo do FET, de canal n ou de canal p. O nome “efeito de campo” decorre do fato que o mecanismo de controle do componente é baseado no campo elétrico estabelecido pela tensão aplicada no terminal de controle. O Transistor JFET recebe este nome porque é um transistor FET de Junção. Figura 1 – O Transistor JFET A figura 01 apresenta um JFET de canal n (existe também o JFET de canal p). Seu diagrama construtivo simplificado representa uma “barra” de silício semicondutor tipo n (semicondutor dopado com impurezas doadoras) e contendo incrustadas duas regiões tipo p. O JFET da figura 01 tem as seguintes partes constituintes: FONTE: (source) fornece os elétrons livres, DRENO: (drain) drena os elétrons, PORTA: (gate) controla a largura do canal, controlando o fluxo dos elétrons entre a fonte e o dreno. As regiões p da porta são interligadas eletricamente. Ainda observando a figura 01, a seta apontando para dentro representa uma junção pn de um diodo. O JFET de canal p tem as mesmas partes constituintes de um JFET de canal n, porém seu símbolo apresenta a seta em sentido contrário, e as correntes e tensões são consideradas invertidas em relação ao JFET de canal n. Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 7 1.4 – Características mais Importantes do JFET Controle por Tensão: a corrente entre o dreno e a fonte é controlada pela tensão aplicada na porta, em contraste com o transistor BJT, cuja corrente de coletor é controlada pela corrente de base. Alta Impedância de Entrada: para que seja possível o controle de corrente do canal n é necessário que se produza uma polarização reversa das junções da porta, provocando desta forma um aumento na região de depleção destas junções e em decorrência disto um estreitamento do canal; com isto, tem-se baixas correntes de porta, e conseqüentemente, alta impedância. Curvas Características: o comportamento do JFET pode ser sumarizado por suas curvas de dreno e de transcondutânica. Outras Características: os transistores JFET apresentam menores ganhos em relação aos transistores BJT e em decorrência disto têm maior estabilidade térmica; geometricamente, os JFET têm dimensões menores quando comparados com os transistores BJT. 1.5 – Princípio de Funcionamento – Polarização - Curva Características (Considerações) Podemos então identificar dois tipos de comportamento do transistor: a) O transistor se comportando como uma resistência variável controlada por tensão. O JFET opera deste modo na região A da fig. 02 abaixo. Notamos que ID varia diretamente proporcional a VDS, como se fosse uma resistência. Entretanto, essa variação, ou resistência, será maior ou menor, dependendo do valor de VGS, daí a denominação de “Resistência Variável Controlada por tensão”, que é a tensão VGS. RD = VD / ID ... (resistência dinâmica), para VGS = cte. RD = VD /ID ... (resistência estática - no ponto), para VGS = cte. b) Na região B da fig. 02, a corrente ID não aumenta mais, apesar do aumento de VDS. Figura 2 Região A Região B VGS VP Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 10 Figura 5 – Curvas de Dreno do JFET Vemos um conjunto de curvas de VDS = f(VDS) de um dado JFET. Há uma região de saturação, uma região ativa e uma região de corte. Como vimos anteriormente, com VGS = 0V (Porta e Fonte em curto), a corrente de Dreno aumenta rapidamente até que VDS atinja 4V. Além deste valor de VDS, a corrente ID é praticamente horizontal. Entre 4V e 30V, a corrente ID é praticamente constante e JFET se comporta como uma fonte de corrente de aproximadamente 10mA. Quando VDS ultrapassa os 30V, o JFET rompe-se. Logo, a região ativa se situa entre 4V e 30V. A denominação de ID como sendo IDSS se refere à corrente ID com VGS = 0V e representa o valor máximo de ID como visto anteriormente. Na Fig. 05 temos IDSS = 10mA para VDS = 15V. Sendo as curvas de dreno do JFET praticamente horizontais, IDSS é de aproximadamente 10mA na região ativa. Fazendo s tensão VGS mais negativa, iremos reduzir a corrente ID . Portanto teremos: VGS = - 1V ID = 5,62mA. VGS = - 2V ID = 2,5mA VGS = - 3V ID = 0,625mA VGS = - 4V ID 0mA A curva inferior representa a região de corte, portanto: VGS(Desligado) = VGS(OFF) = - 4V Observando-se a região de saturação vê-se que quando o JFET está saturado, VDS se encontra entre 0V e 4V, dependendo da reta de carga. Notemos que a tensão de saturação mais alta é de 4V, igual (em módulo) à tensão VGS de corte, isto é, VGS(Desligado) = - 4V. Esta é uma propriedade de todos os JFETs; ela nos permite usar VGS(OFF) como uma estimativa da tensão máxima de saturação. Assim sendo, se um dado JFET tem um VGS(OFF) = - 3V, podemos afirmar que o valor de VDS máximo na região de saturação será de aproximadamente de 3V. Por exemplo, um 2N5457 tem um VGS(Desligado) = -2V. Portanto o VDS máximo na região de saturação é de aproximadamente 2V. Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 11 1.8 – Trancondutância gm A transcondutância é representada por gm e é dada por: gm = ID/ VGS VDS = Cte. Unidade : Siemens, símbolo S - O valor da condutância é máximo quando VGS = 0V e é denominada de gmo , gfso nas folhas de dados. gm = gmo(1 - VGS/VGS(OFF) OBS.: O valor de VGS(OFF) é muito difícil de ser medido na prática. Já IDSS e gmo são fáceis de serem determinados com grande precisão. Assim sendo, usamos a fórmula abaixo para calcular VGS(OFF). VGS(OFF) = - 2IDSS/gmo 1.9 – Considerações Gerais Figura 6 – Polarização do JFET A figura 6 apresenta o circuito de polarização de um transistor JFET de canal n. Observa-se que para que seja possível o controle da corrente de dreno são necessárias as seguintes condições: VDD > 0 ou VGG < 0 O fluxo de elétrons da fonte para o dreno depende da largura do canal, isto é, polarização reversa na porta causa aumento das regiões de depleção, diminuindo a largura do canal e dificultando desta forma a passagem da corrente entre o dreno e a fonte (é uma região de íons, formada pela difusão pela junção). Desta forma temos as seguintes condições: a) LARGURA DO CANAL: depende da tensão VGG, isto é, quanto mais negativa, maior será a região de depleção e portanto, mais estreito o canal. b) TENSÃO DE CORTE (VGS): é a tensão suficiente para desaparecer o canal (VGScorte) também conhecida como Tensão de Deslocamente (pinch-off). Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 12 c) CORRENTE DE FUGA DA PORTA: Como a junção da porta opera em polarização reversa, tem-se uma corrente baixa; desta forma, a CORRENTE DE DRENO é igual à CORRENTE DA FONTE (ID). Esta é a causa da alta impedância de entrada dos JFET. OBS: Como a polarização reversa entre a porta e a fonte (VGS) não consome corrente e a largura do canal depende de VGS, o controle de ID é efetivamente feito pela tensão da porta. 1.10 – Curva de Transcondutância A curva de transcondutância relaciona a corrente de saída com a tensão de entrada de um JFET. Através da Equação de Schokley relaciona-se a corrente ID com a tensão VGS, segundo uma relação quadrática: I I V V D DSS GS GS corte 1 2 ( ) Como o JFET apresenta uma relação quadrática entre a corrente de dreno-fonte e a tensão de controle VGS, diz-se que este dispositivo é um dispositivo de Lei Quadrática. VGS I D I Dss VGS(corte) arco de parábola Figura 7 – Curva de Transcondutância Na região ôhmica, o JFET apresenta a seguinte relação para a sua resistência de canal: r r V V D o GS p 1 Idmax = KV 2 , onde K é uma constante especificada pelo fabricante. O FET tem dois modos principais de operação: 1. Baixas tensões Vds, onde Vds/Ids é constante e denominado Rds. Neste modo, usa-se o FET como um atenuador, ou como um resistor variável. Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 15 É comum na entrada de instrumentos de medição, e dentro de C.I. analógicos, pela alta impedância. Obs: Cent. pode ser omitido, em algumas aplicações. Nos amplificadores com acoplamento direto, todos os capacitores são dispensados, mas o ganho diminui. 2 – MOSFET O transistor MOSFET (acrônimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ou transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico. A palavra "metal" no nome é um anacronismo vindo dos primeiros chips, onde as comportas (gates) eram de metal. Os chips modernos usam comportas de polisilício, mas ainda são chamados de MOSFETs. Um MOSFET é composto de um canal de material semicondutor de tipo N ou de tipo P e é chamado respectivamente de NMOSFET ou PMOSFET. Geralmente o semicondutor escolhido é o silício, mas alguns fabricantes, principalmente a IBM, começaram a usar uma mistura de silício e germânio (SiGe) nos canais dos MOSFETs. Infelizmente muitos semicondutores com melhores propriedades elétricas do que o silício, tais como o arsenieto de gálio, não formam bons óxidos nas comportas e portanto não são adequados para os MOSFETs. O IGFET é um termo relacionado que significa Insulated-Gate Field Effect Transistor, e é quase sinônimo de MOSFET, embora ele possa se referir a um FET com comporta isolada por um isolante não óxido. Corte transversal de um MOSFET tipo N (NMOS). O terminal de comporta é uma camada de polisilício (silício policristalino) colocada sobre o canal, mas separada do canal por uma fina camada de dióxido de silício isolante. Quando uma tensão é aplicada entre os terminais comporta (gate) e fonte (source), o campo elétrico gerado penetra através do óxido e cria uma espécie de "canal invertido" no canal original abaixo dele. O canal invertido é do mesmo tipo P ou tipo N, como o da fonte ou do RS + VDD RSRG C ent. SAÍDA ENTRADA Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 16 dreno, assim, ele cria um condutor através do qual a corrente elétrica possa passar. Variando- se a tensão entre a comporta e a fonte se modula a condutividade dessa camada e torna possível se controlar o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte. Ele funciona de forma semelhante ao JFET, porém não necessitando das junções entre porta (G) e canal para conduzir a corrente. A porta (G) é apenas um contato metálico isolado do semicondutor, proporcionando uma maior impedância de entrada em relação ao JFET - .MOSFET METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFECT TRANSISTOR. Figura 8 – Curva de Transcondutância 2.1 – Constituição Interna e Funcionamento O transistor MOSFET é formado de um cristal semicondutor pouco dopado, chamado SUBSTRATO. Na parte superior do mesmo são difundidas impurezas (dopagem) formando outro tipo de cristal semicondutor diferente do SUBSTRATO, porém bem mais dopado. Este cristal formará as regiões da FONTE (S) e do DRENO(D). O dreno D e a fonte S podem ser separados como no MOSFET tipo enriquecido (Enhancement - ou tipo Indução), ou interligados, como no MOSFET tipo Depleção. O MOSFET é constituído então de três materiais diferentes, a saber: As camadas de Alumínio (AL) que formam os contatos metálicos; uma camada de óxido de silício (SiO2) , que isola os contatos metálicos entre si e o corpo do transistor, feito de material semicondutor. Observando a fig. 08, notamos que o contato da porta (G), está isolado em relação ao restante do transistor, o que leva este transistor a ser denominado de IGFET - ISOLATED GATE FIELD EFECT TRANSISTOR ( Transistor de Efeito de Campo de Porta Isolada Como vimos, tanto o dreno como a fonte, são feitos de um mesmo tipo de cristal, diferente do cristal do substrato. Seja um MOSFET com substrato de cristal tipo P. Vimos que o JFET, para que houvesse circulação de corrente entre dreno e fonte, era necessário colocar uma alimentação com o terminal positivo no dreno e o terminal negativo na fonte. Se fizermos o mesmo com um MOSFET tipo enriquecimento, veremos que não vai existir corrente fluindo entre dreno e fonte. Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 17 Notamos que a junção dreno substrato opera como se fosse um diodo polarizado reversamente devido a VDS. Mesmo que invertêssemos VDS, não haveria corrente entre dreno e fonte, pois a junção fonte-substrato, neste caso, é que estaria se comportando como um diodo reversamente polarizado. O fato é que , se tivéssemos um canal de mesmo cristal entre dreno e fonte, no caso N, interligando a fonte ao dreno, assim como tínhamos no JFET, a corrente ID entre dreno e fonte poderia circular. Usamos, então um recurso com o qual podemos criar um canal e assim sendo, controlar a corrente ID. Usamos, então um recurso com o qual podemos criar um canal e assim sendo, controlar a corrente ID. Quando ligamos um capacitor a uma fonte de tensão contínua, as carga positivas se fixam na placa que está ligada ao polo positivo da fonte, e as cargas negativas, na outra placa que está ligada ao polo negativo da fonte, criando-se então um campo elétrico entre as placas. O número de elétrons numa placa é igual ao número de cargas positivas na outra. Baseando- nos nestes princípios aplicamos uma tensão entre porta (G) e fonte (S), tensão VGS. O material isolante (Óxido de Silício - SiO2) e o dielétrico e, o cristal tipo P do substrato entre a fonte e o dreno com a placa 2 da fig. 15. Se aumentarmos VGS gradualmente, iremos colocando cargas positivas na porta (G), como se a mesma fosse a placa 1 do capacitor. Este acúmulo de cargas positivas na porta cria um campo elétrico que começa a repelir as lacunas do substrato, e a atrair os elétrons. Em que o número de lacunas existentes na região compreendida entre fonte e dreno, torna-se igual ao número de elétrons atraídos pelas cargas positivas. Nesta condição temos um equilíbrio momentâneo entre elétrons e lacunas. Quando ultrapassamos este valor particular de VDS, chamado VT (Tensão de Limiar - Threshold), o número de elétrons superará o número de lacunas. A partir deste ponto forma-se um verdadeiro canal entre dreno e fonte, devido à presença destes elétrons (fig. 18): Figura 8 A partir deste instante temos um canal tipo N interligando o contato metálico da fonte com o dreno. Assim teremos um canal para a corrente ID circular, saindo do terminal positivo de VDS , atravessando o canal N que foi formado, chegando ao terminal negativo de VDS (sentido convencional). Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 20 Como a porta é isolada do canal através da película de óxido de silício há uma altíssima impedância de entrada (da porta) para estes dispositivos. a) VGS=0: Com uma polarização nula na porta, não há alteração do canal (fisicamente ou eletricamente) e a corrente que flui pelo canal é devida aos elétrons livres, da mesma forma que ocorre nos transistores JFET. b) VGS<0: Aplicando-se uma tensão negativa na porta estabelece-se um campo elétrico no material dielétrico de modo que os elétrons do canal são repelidos em direção do substrato e as lacunas do substrato são atraídas, ocorrendo recombinação de portadores e causando uma diminuição do número de elétrons livres no canal. Quanto mais negativa for a tensão VGS, menor a corrente entre o dreno e a fonte (IDS). c) VGS>0: Ao aplicar-se uma tensão positiva na porta, estabelece-se um campo elétrico que arrasta os portadores livres do substrato (corrente de fuga), criando-se assim, novos portadores de corrente no canal a partir das colisões resultantes, e em decorrência disto há um aumento na capacidade de condução de corrente no canal; isto é chamado de operação no modo intensificação. CURVAS DE DRENO VGS = 0 V DS I D Vp GS(off)V IDss VGS > 0 VGS < 0 modo intensificação modo depleção Figura 11 – Curvas de Dreno do MOSFET VGS I D VGS(off) modo intensificaçãomodo depleção Figura 12 – Curva de Transcondutância do MOSFET Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 21 2.4 – MOSFET – Tipo Intensificação (Enhancement) CONSTRUÇÃO SÍMBOLO p p n n SS Contatos Metálicos G S D n+ n+ substrato p _ (substrato) sem canal SiO2 G D S Figura 13 – O MOSFET intensificação (canal n) Quanto aos aspectos construtivos destacados na figura 13, valem as mesmas observações do MOSFET tipo Depleção, exceto o fato de não haver canal por dopagem; este tipo de dispositivo não tem a região do canal n, o qual é produzido por indução de portadores no próprio substrato p - . a) VGS 0: Aplicando-se uma tensão diferente de zero entre dreno e fonte (VDS 0) não haverá corrente circulando entre estes terminais (IDS), uma vez que as junções pn estarão polarizadas reversamente e no substrato não há portadores livres suficientes para estabelecer fluxo de corrente. b) VGS>0: Aplicando-se uma tensão positiva na porta estabelece-se um campo elétrico tal que os elétrons do substrato (portadores minoritários) são atraídos próximo à região de gate e as lacunas (portadores majoritários) são repelidas; os elétrons próximos do óxido de silício (SiO2) estarão mais concentrados quanto maior for o valor de VGS, até permitir o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte, se houver tensão VDS aplicada. Quanto maior for o valor de VGS, maior será a corrente ID . Observação: A tensão VGS que permite o fluxo de corrente IDS é chamada de Vt (tensão de limiar) ou VGS(TH) (Threshold VGS). Para valores de tensão menores do que este, não há corrente de dreno-fonte. 2.5 – VMOS-FET (MOSFET de Construção Vertical) Eletrônica Analógica I • Transistores Unipolares: FET, JFET e MOSFET 22 substraton+ SiO2 SGS D n+p n+ p comprimento efetivo do canal Figura 14 – O MOSFET tipo V (construção vertical) Quanto aos aspectos construtivos destacados na figura 14, valem as mesmas observações do MOSFET tipo Intensificação, com a construção sendo vertical (não-planar); este tipo de construção permite um canal mais largo, com conseqüente maior capacidade de corrente (dispositivos de maior potência). Outra vantagem deste tipo de construção é a menor resistência de canal O funcionamento é idêntico ao MOSFET intensificação. 2.6 – Particularidades dos Transistores MOSFET 1) Altíssima impedância de entrada (no JFET por causa da polarização reversa, no MOSFET por causa da isolação promovida pelo óxido); 2) Acúmulo excessivo de cargas nas extremidades da finíssima camada de óxido de silício, estabelecendo uma ddp que pode danificá-la. É necessário manter os terminais do MOSFET em curto até o momento da inserção do componente no sistema. Temos ainda que ressaltar a sua alta sensibilidade a eletricidade estática. Num MOSFET sem proteção, se tocarmos com os dedos nos seus terminais, iremos danificar a camada isolante de óxido metálico. Alguns tipos de transistores já possuem proteção interna. 2.7 – Exemplo de Aplicações em Circuitos de Telecomunicações a) Circuito misturador :
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